1 / 51

Introduction to Energy Recovery Linacs

Introduction to Energy Recovery Linacs. 王九庆 高能物理研究所 2014.08.04. Outline. What’s Energy Recovery Linac (ERL) Why ERL How to Recover Energy? Beam Physics & Technology Challenges Facility Status Summary. The idea of ERL originated from…. Linac to achieve small spot at IP,

eliza
Download Presentation

Introduction to Energy Recovery Linacs

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Introduction to Energy Recovery Linacs 王九庆 高能物理研究所 2014.08.04

  2. Outline • What’s Energy Recovery Linac (ERL) • Why ERL • How to Recover Energy? • Beam Physics & Technology Challenges • Facility Status • Summary

  3. The idea of ERL originated from…

  4. Linac to achieve small spot at IP, However, the single pass needs too much power A possible solution: to have another linace to recover the energy from the beam 1, while accelerate the beam 2. A possible solution: to have another linace to recover the energy from the beam 1, while accelerate the beam 2. An improved scheme: to have only one linac with the right track to lead the beam to IP for collision, and then return to the linac for energy recovery.

  5. 能量回收加速器(ERL)概念示意 电子枪 超导腔 废束站 • 电子束返回主加速器, 将 99% 以上的能量返回主加速器, 用来加速后续新电子束, 从而可大幅度地节省微波功率 结合了环形加速器和直线加速器的各自优点 动画引自http://pfwww.kek.jp/erl_info/

  6. ERL的基本组成 返航线长度=（n+1/2)RF 高能束 高能束 注入器 垃圾靶 低能束 低能束 构成：注入器、merger、主加速器、arc段、直线段、垃圾靶(dump) 首次实验验证能量回收(1986) • Same-cell energy recovery was first demonstrated at Stanford University the SCA/FEL project in July 1986 • Beam was injected at 5 MeV into a ~50 MeV linac (up to 95 MeV in 2 passes), 150 μA average current (12.5 pC per bunch at 11.8 MHz) • All energy was recovered. FEL was not in place.

  7. ERL中电子束返回主加速器, 将 99% 以上的能量返回, 用来加速后续新电子束，微波功率能耗是同样能量和流强（6GeV、100mA）的FEL的千分之三。 若单次通过FEL，则加速束流需微波功率600MW，相应电功率1.8GW（接近两个大型核电机组的装机容量，2012年北京市全年平均用电负荷10GW）！ Why ERL: 节省微波功率 • 能量回收可以用功率增值因子k来定量表述，如Pbeam为束流功率，PRF为加速束流所需微波功率，则： • 在直线加速器中，束流一次通过，遵从能量守恒定律，k<1. • 要实现k>1, 则束流必须以返航减速的形式将能量返还给加速腔。 • 在超导加速腔中，由于腔的表面电阻极小，功率损耗很小，能量回收效率高，则可以实现k>>1 • 当腔耗极低时，近似地k等于最终能量与注入能量之比

  8. Why ERL:兼顾储存环和直线加速器的优点 • 储存环将同样的电子以一种平衡态的方式储存起来达几个小时，而ERL是将这些电子的能量储存起来。 • 在ERL中，电子仅在加速器中经历很短的时间（~1s），因此达不到一种平衡态。 • 与直线加速器相同，在ERL中，束流的6维相空间分布主要由电子源（枪）所决定。 • 与储存环类似，ERL通过能量回收能实现高平均流强的载荷能力，因此具有很高的效率。

  9. ERL的优势 • 节能，RF功率与束流功率基本无关 • 环保，垃圾靶上束流能量低于中子产生阈值 • 可提供高平均流强、短脉冲、低发射度电子束 • 主要用于高平均功率自由电子激光、x射线光源、核物理实验装置

  10. ERL for Free electron laser L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  11. ERL for electron cooling L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  12. ERL for Electron-Ion Collider L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  13. L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  14. L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  15. L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  16. L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  17. ERL应用展望 • 自由电子激光和高性能同步辐射光源 • 电子冷却 • 电子-离子对撞机 • 暗物质研究 • 逆康普顿散射光源 • …

  18. 基于ERL光源的优点 高平均通量 Iavg 光 空间全相干 </4 高平均亮度 BNuIavg/xy 高时间相干 超短X光脉冲 （亚皮秒） 低发射度 N<1mmmrad 园束流 高平均流强 （~100mA) 低能散 0.01% 超短束长 亚皮秒 束流 各种填充方式 长插入件 GeV能量

  19. Courtesy of Erk Jensen et al

  20. BINP ERL • 世界上第一个具有 4 – loops 的 ERL,12 ~ 42 MeV, • Linac with 180 MHz NC cavities. Status: • 第 1-2 个 loops 已投入应用, 其中 • THz – FEL 平均功率 0.5 kW, 脉冲 1 MW, 世界纪录！ • 2) 第 3-4 个 loops 已初步调试成功, • 预期 IR –FEL 平均功率可达 3~ 6 kW 。 Courtesy of S.H. Wang 20

  21. 基于ERL的电子-离子对撞机 • 优势： • 由于电子束的束束作用参数可能达到0.5，比通常的储存环对撞机高很多，因此有望实现高得多的亮度。 • 极化束的调整非常容易 • 挑战：高流强的极化束电子源

  22. Courtesy of Erk Jensen et al

  23. 德国 Mainz开展暗物质研究 的ERL计划 100 MeV – 10 mA MESA Mainz Energy Recovering Superconducting Accelerator 23 Courtesy of S.H. Wang

  24. KEK 利用cERL产生高通量光 N. Nakamura, IPAC12

  25. ERL的加速器物理和技术挑战 • 高流强、低发射度的束流产生和保持 • 高性能束流输运 • 超导加速腔中的强流效应 • 。。。

  26. 高流强、低发射度的束流产生和保持 • 通常选用光阴极电子枪，源头上决定束流的许多关键性质 • 不同用途的ERL对注入器要求不同： 光源要求，cw平均流强～100mA，归一化发射度～1mm.mrad 电子冷却和对撞机要求更高的平均流强 • 电子枪类型：DC、 SRF、 RF、 DC-SC 尽快将电子束加速到较高能量以减小发射度增长 注入系统中束团应较长以减少空间电荷效应的影响

  27. 高压直流光阴极电子枪 L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  28. 射频光阴极电子枪 L. Merminga, Energy Recovery Linacs, PAC07

  29. 高能所正在研制的直流高压光阴极电子枪 高压陶瓷筒 • 研制难点： • 高量子效率长寿命光阴极材料 • 超高直流高压（≥500kV）抑制发射度 • 极高真空环境（好于10-8 Pa） • 复杂的驱动激光系统 • 低纹波的高压电源系统（<5×10-4） 阴极制备 驱动激光 阴极 • 直流高压高压500kV • 平均流强达到1-10mA • 束团横向发射度1-2mm·mrad • 国际水平！ 阳极 电子枪体 为实现GHz(109 Hz)超高束流重复频率，需要直流高压电子枪技术 Courtesy of X.P. Li 29

  30. 高能所的直流高压电子枪实验平台进展 • 2011年启动500kV光阴极电子枪研制。 • 已基本完成研制： • 电子枪的驱动激光系统 • GaAs光阴极制备系统 • 500kV高压电源系统 • 计划2015年上半年完成整个系统的联调，开始束流实验。 500kV光阴极直流高压电子枪实验平台 驱动激光平台 光纤放大器 GaAs阴极制备系统 高压电源 30

  31. 北京大学DC-SRF光阴极注入器束流实验 超导腔射频信号 • Eacc~10MV/m，驱动激光频率81.25MHz • 电子束能量>3.0MeV, CW束流强度~0.25mA(受限于束线承受能力） • 脉冲束流（15%占空比)可能大于 1.0mA 31

  32. ERL 的束流传输基本要求 在加速和能量回收过程中6维发射度的保持和相空间调整 • 高、低能束流同时注入加速器且保证相位差 • 无损失传输高平均流强电子束 • 克服空间电荷效应,CSR和尾场问题 • 进行横向和纵向调节以满足应用装置的各种需求 自由电子激光：高峰值电流短束团、能散 横向几何发射度 电子束在扭摆器中心成腰，入口参数 电子冷却ERL:冷却 channel中要求长束团

  33. ERL束流传输--Merger（并束段） 三块相同B铁 Dogleg 对称 消色散:R16 = 0和R26 = 0 反对称 Chicane zigzag Courtesy of kexin Liu

  34. ERL束流传输--纵向相空间设计(FEL) • 注入段具有较低能散，束团较长 • 主加速器偏离峰值加速，使束团能散增加 （ L = L0 + R56 (E/E)0 ) • 经过arc1(也可加压缩Chicane)使束团在波荡器之前最短 • 经波荡器后能散增加 • 经arc2和加速器减速后压缩能散，保证主加速器出口到垃圾靶 （Dump)的束流传输 Courtesy of kexin Liu

  35. ERL束流传输-ARC段 两种主要arc段类型： 均为消色散结构 Bates-type Triple Bend Achromat Courtesy of kexin Liu

  36. B2 B3 B4 B1 α α α r r xd xarc leff d ld ERL束流传输—束流回路长度调节 • 束流回路长度调节 • 改变磁铁入射角和 移动整个arc段 • 补偿非线性—三次谐波 • 束流横向匹配——保证束流横向参数满足要求 Courtesy of kexin Liu

  37. x’ a x x’ waist a b a b ERL束流传输--空间电荷效应发射度补偿 注入系统中空间电荷力 由于横向空间电荷力不均匀造成横向发射度增长 通过螺线管透镜 和漂移距离使发射度增长得到补偿 b Courtesy of kexin Liu

  38. ERL束流传输：相干同步辐射（CSR) Courtesy of I. V. Bazarov et al

  39. ERL束流传输--CSR引起的发射度增长补偿 -1 • CSR引起的发射度增长可以 • 通过如下方式最小化: • 通过束流光学设计,使束流 受到的 CSR kick方向和发 射度相椭圆方向一致[1] • 两个相同单元具有(2n+1)的 • phase advance [2]以使2个CSR kick作用尽量抵消 _________________________________________ [1]R. Hajima,NIMA528(2004) • [2] D. Douglas, JLAB-TN-98-012, 1998; J.H. Wu, PAC 2001 Courtesy of kexin Liu

  40. ERL传输--CSR引起的发射度增长补偿 -2 • CSR引起的发射度增长可以 • 抑制*: • 通过束流光学设计,使消色 • 散节中相邻二极铁之间的水 • 平传输满足特定条件[3] 如 对于DBA结构： _________________________________________ * 可以完全抵消CSR引起的一阶效应 • [3] Y. Jiao, X. Cui, X. Huang, G. Xu, PRST-AB, 2014, 060701 当满足条件Mc2c(2,1) = 12/L （L为二极铁长度）时，CSR引起的发射度增长最小，且该条件与初始束流分布无关。 Mc2c: 两块二极铁中点之间的2*2水平传输矩阵。

  41. ERL束流传输—BBU效应 • 束流通过加速腔激励高阶模(HOM)电磁场,HOM再作用于束流上引起各种 • 束流不稳定, 横向BBU在ERL中更为重要 • 再生束流崩溃（regenerative BBU）:束团自身作用积累,对比较长的 加速器重要 • 累积束流崩溃(cumulative BBU): • 后续束团受到前面束团的影响 • 多圈束流崩溃(Multypass BBU): 在ERL中最重要 Courtesy of kexin Liu

  42. ERL束流传输—BBU效应的抑制及其他 • BBU的抑制[1,2] • HOM的衰减 • 降低Q值,提高不稳定性的阈值 • 引入HOM合适的频散 • 束流光学方法 点对点之间的相位调节,使束流稳定 x与y平面互换(采用斜四极铁): 束流90°旋转(螺线管透镜): • 基于束流的反馈系统 其他相关问题：束晕（bean halo)、离子俘获(ions)等 ____________________________________________________ [1] E.Pozdeyev et.al., NIMA557(2006) [2] R. Rand and T. Smith, Particle Accelerators1980

  43. ERL强流效应对超导高频的挑战 要求: 高束流品质和高稳定性的保持; 对高平均流强、短束长束流加速和减速所需的超导高频腔系统的高效冷却。 挑战: 高效率地引出HOM 针对多圈BBU的稳定措施 高频控制和稳定性

  44. Courtesy of Erk Jensen et al

  45. Courtesy of Erk Jensen et al

  46. Courtesy of Erk Jensen et al

  47. 突破ERL物理和技术挑战=>R&D及试验装置 试验装置的作用:1)验证新物理思想2)发展和验证新的技术3)物理和技术的实验研究4)培养人才5)前沿应用的开发 德国BERLinPro 英国ALICE 日本cERL 47 美国 47

  48. 北大和高能所的试验装置研究 PKU-SETF

  49. 总结 • ERL的原理已得到验证，ERL所能提供优异品质束流的潜质将在高功率自由电子激光、短脉冲/高平均亮度光源，以及电子冷却和高亮度对撞机等方面有广泛的应用前景。 • 更能量、更高性能的ERL在加速器物理和技术上还面临一系列挑战,特别是电子枪和超导高频方面。 • 许多实验室在发展ERL关键技术或建立试验装置，这也推动了加速器学科不断向前发展。 • ERL体现着“资源节约”的理念，有望在未来的加速器发展中更多的应用。

  50. 致谢 • 本报告一些内容引自刘克新教授2008年在OCPA上的讲义，特此致谢。 • 参考了I. Bazarov, E. Jensen，L. Merminga等人在USPAS和加速器会议上关于ERL的报告。

More Related